ペロブスカイト太陽電池の効率は約26%にまで向上した。しかし、スピンコーティングなどの従来の方法では、大規模生産は依然として課題となっている。この課題を克服するため、ローマ・トル・ヴェルガータ大学の研究者らは、ブレードコーティングプロセスを改良し、効率12.6%の大面積太陽光発電モジュールを開発した。このプロセスでは、無毒性の溶媒とともに、大気中で酸化ニッケル正孔輸送層を使用した。
研究の目的– 長期的な安定性と効率性を備えた大規模太陽電池の生産における進歩を実証すること。
12.6% 効率の大面積 PV ソーラー モジュール
ペロブスカイト膜の均一性を向上させるため、研究者らは層間に自己組織化単分子膜を導入した。その結果、有効面積110cm²のモジュールで12.6%の効率を達成した。さらに、85℃の空気中で1,000時間経過後も、初期効率の84%を維持した。
ペロブスカイト太陽電池 (PSC) を製造するには、電荷輸送材料の順序に基づいた 2 つの主要なアーキテクチャに従います。
- ノーマル（ニップ）
- 反転（ピン）
ここで、逆構造のPSCは安定性が向上し、ヒステリシス挙動が低減されています。これにより、商業化の可能性が高まります。大面積PV太陽電池でコンパクトな酸化ニッケルを製造するには、さまざまな成膜方法が用いられ、それらは印刷可能な方法と印刷不可能な方法に分類されます。
印刷可能な成膜技術には様々な利点があるにもかかわらず、小型と大型の印刷可能なNiOx系PSCの間には大きなギャップが存在する。例えば、大気中で成膜されたPSCでは、小型モジュールの効率は20.7%に、有効面積3.7cm2の大型モジュールでは10.34%に低下した。
研究で採用された手順
研究者らは、スピンコーティングのステップなしで 15 cm x 15 cm の基板上に NiOx を印刷する手順を確立しました。ドクターブレード法による NiOx/MeO-110PACz/ペロブスカイトと熱蒸着により、2 cm2 のアクティブ領域を持つモジュールが作られました。さらに、NiOx インクを最適化し、自己組織化単分子層を追加することで、最高のモジュールは約 12.6% の PCE を達成しました。
その結果、研究者たちは、これらのモジュールが安定性、効率性、性能の点で従来の大面積 PV モジュールよりも優れていることを観察しました。
結果と考察: NiOx フィルムの厚さと均一性の最適化
常温常圧下でNiCl2・6H2O溶液をドクターブレード法でITO基板上にNiOx膜を成膜した後、これらの膜を300℃で加熱して分解と酸化を促進した。その後、大気中の酸素を用いてNiOx膜を作製した。
研究者らは、4 M の基準溶液、0.15 M (0.075:1 希釈)、1 M (0.050:1 希釈)、2 M (0.037:1 希釈) の 3 つの濃度をガラス/ITO 基板に塗布しました。エリプソメトリーを使用して測定したフィルムの厚さは、140 x 140 mm 以上でした。
フィルムの厚さのばらつきはドクターブレードの不均一性によるもので、溶媒比率が高くなると改善されます。ただし、フィルムの厚さと粘度は希釈とともに減少します。したがって、前駆体濃度が希釈されるにつれて厚さが減少し、42.2 nm (0.075 M)、40.0 nm (0.05 M)、36.2 nm (0.037 M) となりました。
次の図は、X 線光電子分光法 (XPS) と X 線反射率測定法 (XRR) の結果を示しています。両方のテストは、NiOx の酸化を評価するために使用されました。
- XPS スペクトルは、850 ～ 860 eV の範囲で、4 つのピークが Ni、NiO (Ni2+)、NiOH (Ni3+)、および NiXNUMXOXNUMX (NiXNUMX+) に対応することを示しています。
- 示された結合エネルギーは、約 852.0、853.5、855、および 856 eV で、ガウス分布により制限されています。これは文献の値と一致しています。
- 支配的な NiO ピークは、高度に酸化されたフィルムであることを示します。これらは、PSC の正孔輸送層などの用途に適していると考えられています。
- 1:1 の濃度では、依然として顕著ですが、Ni と Ni203 の寄与の増加も確認されました。これは、酸化効率が低下したことを示唆しています。
- 濃度が 1:2 で、より薄いフィルムからの酸化がより良好であるため、Ni203 が高いほど Ni³⁺ が多くなります。
- さらに 1:3 の濃度に希釈すると、NiO に対する Ni203 の増加が示されます。これは、フィルムの厚さと酸化の不均一性を示唆しています。
全体的に、研究者らは、前駆体濃度の低下がニッケル酸化物の複雑さの増加および酸化状態の上昇と相関していることを発見しました。ただし、前駆体の減少に伴い、NiO の寄与も低下します。
フレキシブルデバイス向けETLベースの両面型ペロブスカイト太陽電池に関するシミュレーション研究の詳細をご覧ください。
XRR測定結果
XRR 測定で NiOx 堆積基板上の電子密度を調べたところ、Kiessig 縞は見られませんでした。臨界角は散乱体積と相関しており、次のことがわかります。
- 低分散による均一性
- 高い分散による不均一性
前駆体濃度の減少に伴い、電子密度が上昇しました。これは、アニーリング中の酸化または圧縮が改善されるため、希釈度の高い高密度の膜が可能になることを明確に示しています。膜が薄いほど、特性が向上し、PV 太陽電池の性能が向上します。
観測
- 最も均質なのは、参照サンプルと 1:2 濃度の NiOx 堆積です。
- 1:3 の濃度ではフィルムの均一性が低下することが確認されました。
- 界面または表面の粗さはフレネル反射率で推定されました。基準サンプルと 1:2 濃度の場合、約 4.5 (5) nm でした。この値はすべてのパターンで一定です。
- 1:1 および 1:3 濃度プレートから得られたサンプルでは、粗さの分散がより高かったことが確認されました。1:1 XRR プロファイルの値は、2.5 (5) nm から約 4.5 (5) nm の範囲です。1:3 XRR プロファイルの場合、約 4.5 (5) nm から約 7.0 (5) nm です。
インターフェースエンジニアリングとペロブスカイト膜の形態
本研究では、ペロブスカイト太陽電池モジュールの検討において、無毒性溶媒を用いた2段階ブレードコーティング法による先行研究に基づき、ペロブスカイト層の成膜に焦点を当てた。膜質の向上を図るため、パラメータと添加剤を最適化し、二重カチオンペロブスカイト（Cs0.15FA0.85PbI3−xBrx）を開発した。2段階成膜法では、DMSO中のPbI2-(FAI)0.3-(CsI)0.15に続いてイソプロピルアルコール中のFAI/FABrを用い、4種類の乾燥方法を提案した。本研究では、これらの技術を剛性基板上で試験し、15 cm × 15 cmの基板上に高品質の膜を作製することに成功した。これにより、様々なデバイスや基板に対応できる汎用性の高いグリーンペロブスカイト組成物の開発への道が開かれた。
SEM 画像から、最適化されていない NiOx 層 (0.15 M) によって PV フィルムに欠陥が発生したことが明らかになりました。欠陥にはピンホールや目に見えるバーなどがあり、主に堆積の不均一性が原因でした。一方、最適化された NiOx 層 (0.05 M) では、粒子が小さくなり、ピンホールが少なくなるなど、欠陥が少なくなりました。
他の研究では次のことが示されています。
- しかし、最適化された層では結果は以前よりも良くなったものの、ピンホールの発生は依然として残っていた。これは、 NiOxフィルムとPV前駆体インク間の接着の問題.
- UV-オゾンと プラズマ従来表面処理 NiOx膜に悪影響を及ぼします。これにより、過剰なPbl2の形成など、インターフェースの問題が悪化します。これは、ホール抽出バリアとして作用する可能性があります。 開放電圧を下げる デバイスの。
- さらに、 NiOの導電性が低い ペロブスカイト太陽電池の性能に悪影響を与える可能性があります。
これらすべての問題を回避し、上記の状況を改善するために、研究者は HTL/ペロブスカイト界面に MeO-2PACz の自己組織化単分子膜 (SAM) を使用しました。
別の試みでは、研究者たちは超安定な2次元ディオン・ジェイコブソンペロブスカイトが19.11%の効率を達成することを発見した。
観測
- ペロブスカイト膜の SEM 画像により、使用された方法 (SAM 層) の有効性が確認できます。
- ペロブスカイト膜は非常に均一で、ピンホールはありませんでした。
- エリプソメトリーによる厚さマップでは、達成された平均フィルム厚さが 570 mm であることが示されており、これも均一性を裏付けています。
- ドクターブレード法のため、開始厚さは 700 nm で勾配があり、コーティングの終わりに向かって厚さがわずかに減少します。
- しかし、SAM 層を使用することで均一性が達成され、接着の問題も解決されました。その結果、安定した産業対応のペロブスカイト太陽電池モジュールが誕生しました。
効率12.6%の大面積PVソーラーモジュールのモジュールと長期安定性
最後に、電子輸送層 (ETL) として C60/BCP を蒸着することで、ペロブスカイト太陽電池モジュールの組み立てに成功しました。次に、P2 レーザー スクライビングとそれに続く銅電極の蒸着が行われました。その後、P3 スクライビングでプロセスは終了しました。直列接続された 22 個のセルを備えた PV モジュールの特性は次のとおりです。
- 効率– 12.6％
- 短絡電流 (ISC) – 98.13 mA
- 充填率 – 63.49%
- 開放電圧（VOC） – 22.3 V
- ほぼ1.02のヒステリシス指数 – XNUMX
しかし、ヒステリシス指数がほぼ 1 であることから、順方向と逆方向の測定スキャン間のパフォーマンスの顕著な一貫性が実証されています。これは、ペロブスカイト モジュールの信頼性の高い動作を強調しています。
結論
結論として、この研究は、商業用途向けの効率 12.6% の大面積 PV ソーラー モジュールの拡張性を向上させます。ドクター ブレーディングを使用することで、NiOx HTL を使用した大面積 PSC モジュールの作成が可能になりました。最終結果は、無毒のペロブスカイト配合でした。そして最後に、安定性と性能が向上した PSC は、将来の最適化と商業用途の可能性を示しています。
出典：15×15cm2の面積にニッケル酸化物のブレードコーティングを最適化して安定かつ持続可能なペロブスカイト太陽電池モジュールを実現
